分光計實驗教學的改進

黃劍平 張小英

摘要 ???“分光計的調整與使用”是大學物理中重要的實驗，也是難度比較大的實驗。結合教學實踐經驗，從教學措施和實驗技巧兩方面，針對分光計實驗存在的問題和難點進行了教學改進。教學措施包括：加強預習、攝像頭輔助教學、分階段教學、課后重視實驗補做。實驗技巧有：采用水準儀輔助調光和避免兩個游標讀數混淆的方法。這些改進措施簡單、實用、有效，提高了學生學習的效率，改進了實驗教學的效果。

關鍵詞??? 分光計;三棱鏡;調節;改進

中圖分類號：G424??? 文獻標識碼：A??? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.04.038

Improvement of Spectrometer Experiment Teaching

HUANG Jianping，ZHANG Xiaoying

（Physics Teaching Experiment Center of Xiamen University of Technology，Xiamen，Fujian 361024）

Abstract “Adjustment and use of spectrometer”is not only an important experiment in college physics experiment，but also a difficult experiment. Combined with the author's teaching experience for many years，the teaching improvement is made for the problems and difficulties existing in the spectrometer experiment from the two aspects of teaching measures and experimental skills. Teaching measures include：strengthening preview，camera assisted teaching，phased teaching，and paying attention to supplementary experiment after class. The experimental skills are：using level to assist dimming and avoiding the confusion of two vernier readings. These improvement measures are simple，practical and effective，which improves the efficiency of students' learning and the effect of experimental teaching.

Keywords spectrometer;prism;adjustment;improvement

引言

分光計是精確測定光線偏轉角的儀器。通過將分光計中的望遠鏡、載物臺、準直管和各種光源搭配使用，可用于測量折射率、光柵常數、光波波長、光線偏轉角、色散率等基本光學參量。[1-3]

“分光計的調整與使用”是各高校大學物理實驗課都會開設的重要實驗。分光計本身的結構特點和使用方法包含了許多光學基礎知識、基本概念和基本調光技巧。[4]分光計實驗可以讓學生掌握精密光學裝置的系統調整方法，很好地培養學生的觀察能力、動手能力和思考能力。[5]掌握好分光計的調節和使用有助于進一步操作更復雜的光學儀器，如攝譜儀、單色儀、分光光度計等。[6]

但另一方面，分光計的構造精密、控制部件多、操作步驟復雜、調節精度要求高，對于學生的掌握和教師的教學都有很大的難度。學生普遍會比較“抵觸”這個實驗，老師也經常為教學效果不佳而“聲嘶力竭”。這個問題也引起了廣泛的重視，目前關于分光計的教學手段、調光技巧和儀器改進措施都有不少文獻。本文根據作者十多年來的分光計教學經驗結合現有文獻，針對該實驗的難點，從教學措施和實驗技巧兩方面進行了改進，取得了良好的效果。

1??? 教學措施的改進

1.1??? 加強預習工作

預習是實驗取得主動的關鍵，對于分光計實驗，預習更是實驗能否順利完成的重中之重。除了常規要求的閱讀實驗教材，撰寫預習報告之外，我們還要求學生上高校邦網站觀看實驗視頻。我們利用網絡精品課程建設經費，錄制了分光計實驗的操作講解視頻，上傳到高校邦網站。學生通過觀看視頻會對整個實驗過程有更直觀的印象。

此外，我們還特別要求學生在上課前完成分光計的仿真實驗。我們利用仿真實驗建設經費，購買了科大奧銳公司的虛擬仿真實驗平臺，可在個人電腦上運行。如圖1（p118）所示，通過模擬操作，特別是實驗的核心部分：利用平面鏡調光和用自準法、反射法測量三棱鏡頂角，同學們可以對實驗原理和步驟有進一步的認識，知道實驗重點和難點在哪里，處理的方法是什么。這樣同學們在聽課時會更有針對性，實際動手操作時也會避免盲目和慌亂。

1.2??? 采用攝像頭輔助教學

課堂教學時，需要對分光計的實驗操作進行演示和講解。與其他物理實驗儀器不同，分光計望遠鏡的視場只能夠單人觀察，這導致老師演示的效果有限，同學們看不到望遠鏡視場中的實驗現象，不能很好地理解講課內容，會影響后面動手操作的效果。為解決這個問題，有文獻采用專門的分光計示教儀來進行演示。[7]這里，我們用普通分光計加裝攝像頭的辦法，達到同樣的效果。在分光計望遠鏡的目鏡端，通過固定裝置裝上一個USB攝像頭。這樣目鏡里的視場就可以在電腦屏幕上顯示，并通過投影儀投影出來，如圖2所示。這樣，每一步示范操作產生的實驗現象都可以讓所有同學看得清清楚楚，提高了課堂演示的效果。

1.3??? 上課分階段講解

平時大部分的物理實驗教學都是老師先講解示范，然后學生再開始動手操作。對于分光計實驗，儀器旋鈕多，操作步驟復雜且難度大，需注意的事項較多。根據以往經驗，如果一開始就把所有內容都一次性講完再讓學生動手操作，部分同學容易遺漏或混淆一些步驟。對此，我們改用分階段教學的方法，把整個實驗內容分解成幾個階段，每次只講解并操作一個部分，完成后再講解下一階段的內容。

我們將整個實驗根據內容和難度劃分成以下幾個階段：（1）了解實驗背景和實驗原理;（2）熟悉各旋鈕和部件的作用并完成粗調;（3）調整望遠鏡光軸與分光計中心軸嚴格垂直，調整載物臺水平;（4）用自準法測量三棱鏡的頂角;（5）調節平行光管并用反射法測量三棱鏡的頂角。

開始講解第1、2部分，有了預習和仿真的基礎，這2個部分可以講得快些，把時間留給后面的難點。同學們大約用3-5分鐘就可以熟悉分光計的各個旋鈕和部件，并順便完成分光計的粗調。接著，結合老師示范，詳細講解第3部分，這也是整個實驗最難的地方，完成這一部分大約需要30分鐘甚至更長的時間。待大部分學生調光完成后，講解第4部分，重點講分光計游標盤的讀數和一些注意細節。最后，講解第5部分，平行光管的調節和反射法測量三棱鏡頂角。有了前面階段的調節基礎，后面的階段會越來越順利。

通過分階段教學，把實驗內容分解，老師可以根據學生的操作情況把控上課進度，把課堂大部分時間留給最重要和最難的部分。如果某個階段用時過長，可以及時加強指導并督促同學抓緊。同學們在每一個階段里只集中聆聽這部分的講解，完成該階段的任務。每個階段安排的內容和難度都適中，便于掌握，學生在操作時可避免一些內容和細節上的遺漏，最后有序地完成整個實驗。

1.4??? 重視課后補做

盡管我們做了改進，但難免有少數同學還是無法在課堂上完成實驗的全部內容。為此，我們要求同學在一周內與老師預約補做實驗。為了保證質量，補做時，老師盡量在場指導。如果老師無法在場，為避免個別同學編造數據，我們要求同學自己用手機拍攝調光效果和游標盤讀數的視頻，過后給老師檢查。經過補做，基本上所有的同學都掌握了分光計的課程內容。

2??? 實驗技巧的改進

2.1??? 利用水準儀輔助調光

分光計實驗最關鍵也是最難的地方就是前述的第3階段：調整望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直，調整載物臺水平。針對這個難點，有的文獻采用可以直觀觀測光路的激光輔助調節方法，[8]也有的采用加裝廣角系統，擴大望遠鏡視場[9]等方法。但這些方法需要額外的設備和成本。這里根據作者的教學經驗并借鑒一些文獻的做法，采用水準泡輔助調光，[10，11]可以達到不錯的效果。

分光計調光的第一步是目測粗調，但目測粗調沒有固定標準，易受實驗者主觀影響，因此調節程度不好把握。這里利用水準儀或手機的水準功能APP輔助調節，把水準儀放置在載物平臺上，如圖3所示，調節3個支撐螺絲，使水準儀的氣泡移到中央，這時載物臺達到水平。然后把水準儀緊貼在望遠鏡鏡筒上端，如圖4所示，調節望遠鏡俯仰螺絲，也使之水平。這樣操作后，再把平面鏡放在載物臺上，很容易就在兩個面都看到綠色的亮十字的像，然后就可以順利地進行后繼的調光步驟。

2.2??? 避免兩個游標窗口讀數混淆

在自準法測三棱鏡頂角的時候，儀器有兩種讀數方法：一是固定望遠鏡和刻度盤，轉動里面的載物臺和游標盤，分別在三棱鏡兩個光滑面垂直于望遠鏡光軸時讀數;二是固定載物臺和游標盤，而轉動望遠鏡和刻度盤來讀數。許多同學在讀數時，為了不用站起來，多采用第一種方法。結果發現不少同學在讀取三棱鏡第二個光滑面讀數的時候，容易把游標盤“左”“右”游標的讀數弄反。究其原因，是第一次位于左邊的“左游標”在第二次讀數時有可能會轉到右邊;位于右邊的“右游標”可能會轉到左邊，容易造成混淆。就此，我們強制要求學生采用第二種讀數方法，即固定載物臺和游標盤，而轉動望遠鏡和刻度盤來讀數。這樣兩次讀數時，“左”“右”游標盤都固定不動，就不會造成混淆了。

3??? 結束語

本文根據作者多年來分光計實驗的授課經驗，從教學措施和實驗技巧兩方面提出了幾點簡單、實用、有效的改進措施。這其中，充分利用了網絡課程和虛擬仿真實驗平臺，讓學生在課前可以更深入地預習。采用攝像頭輔助教學，使同學對實驗現象的觀察和了解更直觀。采用分階段教學，將整個實驗的難度和步驟分解，讓學生在每個階段都易于操作，整節課更高效有序。課后重視實驗補做，保證同學及時補缺補漏。另外，在調光時利用水準儀輔助調整儀器水平，提高調光的成功率。在讀數時，采用固定游標盤而轉動望遠鏡的讀數方法，避免讀數錯誤。經過這些教學改進，教師對教學進度更易于把控，上課的質量和效果明顯改善。學生的掌握程度也顯著提高，不再“抵觸”分光計實驗了。

參考文獻

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